基于ZigBee無線通信的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許宇衛(wèi)，戴　瀾北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京　100144

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基于ZigBee無線通信的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許宇衛(wèi)，戴瀾
北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京100144

摘要隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和高新技術(shù)的發(fā)展，智能溫室得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。為了克服溫室人工管理和遠(yuǎn)距離有線監(jiān)控在人力、技術(shù)等方面的局限性，本文介紹了一種基于TI公司ZigBee專用SOC芯片CC2530，采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合先進(jìn)的射頻微處理器控制技術(shù)和智能傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)的智能溫室無線多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)際測試分析，測試結(jié)果表明系統(tǒng)具有較高的可靠性和很好的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞射頻收發(fā)器；智能溫室；多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控

隨著無線通信、處理器以及傳感器等高新技術(shù)的發(fā)展以及國家對智能農(nóng)業(yè)發(fā)展的逐漸重視，智能溫室作為智能農(nóng)業(yè)的一個(gè)小的體現(xiàn)形式，正在被廣泛關(guān)注和應(yīng)用。智能溫室也稱作自動(dòng)化溫室，它是集計(jì)算機(jī)智能控制、傳感器數(shù)據(jù)采集、通信等技術(shù)為一體的自動(dòng)化設(shè)施?，F(xiàn)有的大多數(shù)智能溫室采用人工實(shí)地記錄或者有線設(shè)備遠(yuǎn)距離監(jiān)測的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后再通過分析結(jié)果，控制相應(yīng)的設(shè)備以達(dá)到對溫室生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整的目的。這種方式不僅加大了工作量，又受到地理位置、布線及各種復(fù)雜環(huán)境的影響，具有很大的局限性。智能生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境溫濕度等參數(shù)對農(nóng)作物的生長起著至關(guān)重要的作用，為此，本文介紹了采用ZigBee無線通信技術(shù)結(jié)合微處理器控制技術(shù)和智能傳感技術(shù)設(shè)計(jì)的智能溫室無線多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)。

1　方案論證與設(shè)計(jì)

在無線智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，可采用ZigBee專用通信芯片CC2530。其是TI公司針對ZigBee近距離無線通信設(shè)計(jì)的SOC芯片，內(nèi)部含有一個(gè)加強(qiáng)型8051內(nèi)核，八路可調(diào)位寬的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，有多種存儲(chǔ)空間的類型可以選擇。整個(gè)系統(tǒng)的硬件部分，可采用以下兩種主要方案。

1.1MCU+RF收發(fā)器方案

可采用微處理器與射頻收發(fā)器相結(jié)合的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，此時(shí)射頻收發(fā)模塊只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)，而不進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理，以及與上位機(jī)的通信。以協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)為例，CC2530只作為射頻收發(fā)器使用，給出方案框圖。

圖1　MCU+RF方案簡單框圖

此方案微處理器的選擇可用51單片機(jī)、ARM處理器等，雖增加了控制與處理數(shù)據(jù)的靈活性，但同時(shí)也增加了設(shè)計(jì)電路的復(fù)雜度。在處理大量節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的情況時(shí)，可以考慮。

1.2CC2530作為處理器和RF收發(fā)器方案

以下給出簡單結(jié)構(gòu)框圖。

圖2　CC2530作為MCU和RF收發(fā)器的實(shí)現(xiàn)方案

對比兩方案，我們采用第二種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)對監(jiān)測溫室環(huán)境所需的溫度、光照、CO2氣體含量等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理。具體原因如下：

1）智能溫室所需采集的參數(shù)量相對較少，增強(qiáng)型8051處理器相對足夠；2）為了保證節(jié)點(diǎn)的長期穩(wěn)定工作，低功耗是必須考慮的問題，外加處理器會(huì)增加功耗；3）在保證電路設(shè)計(jì)的可靠性前提下，各類型節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)益簡不益繁。做到硬件設(shè)計(jì)的快速進(jìn)行和資源的有效利用。

2　系統(tǒng)工作原理及部件架構(gòu)

2.1系統(tǒng)工作原理

以溫度采集為例：首先，由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過ZigBee協(xié)議建立一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)可以通過USB轉(zhuǎn)串口連接協(xié)調(diào)器與PC機(jī)上的上位機(jī)。打開一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的電源，終端節(jié)點(diǎn)按照ZigBee協(xié)議的要求，自組網(wǎng)/自適應(yīng)的加入到剛才建立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。單個(gè)終端節(jié)點(diǎn)上的單總線DS18B20溫度傳感器，采集實(shí)時(shí)的溫度參數(shù)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，然后通過串口，把數(shù)據(jù)采集到PC上位機(jī)，這樣便完成了單個(gè)節(jié)點(diǎn)一次溫度采集的過程。如果經(jīng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)分析，溫度超出設(shè)定的范圍，手動(dòng)模式下可利用上位機(jī)界面上的按鈕，通過串口發(fā)送命令給協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器發(fā)送指令給對應(yīng)的控制終端節(jié)點(diǎn)，控制相應(yīng)設(shè)備的開啟和關(guān)閉，從而使溫度得以長期保持在所設(shè)定的范圍。亦可采用自動(dòng)模式，自動(dòng)對相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行開關(guān)控制，其原理與手動(dòng)模式類似。

經(jīng)過整個(gè)過程的運(yùn)行，達(dá)到對溫度參數(shù)的無線監(jiān)測和動(dòng)態(tài)調(diào)整。其他參數(shù)的監(jiān)控方式與溫度監(jiān)控類似。

2.2系統(tǒng)部件架構(gòu)

2.2.1硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框圖如下：

圖3　系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)方案框圖

由于只是初步試驗(yàn)階段，本設(shè)計(jì)共制作4個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊，其中一個(gè)作為協(xié)調(diào)器模塊，另外3個(gè)作為終端節(jié)點(diǎn)模塊，為節(jié)省資源，在其中一終端節(jié)點(diǎn)模塊接入繼電器控制接口，以模擬對設(shè)備的無線控制。協(xié)調(diào)器模塊與近程PC的上位機(jī)軟件采用串口連接。手機(jī)App軟件暫未開發(fā)。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)原理框圖與圖2類似。作為整個(gè)系統(tǒng)中的核心模塊，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的“上傳下達(dá)”。用戶LED采用4種不同顏色的燈代表不同的功能，以直觀的顯示出節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。

終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原理如圖4，在其中一終端節(jié)點(diǎn)上接入繼電器組或是電子開關(guān)，此時(shí)的終端節(jié)點(diǎn)既是數(shù)據(jù)采集的終端又是相關(guān)設(shè)備的控制機(jī)構(gòu)，這樣可以提高CC2530作為SOC芯片的利用率，不用再單獨(dú)的設(shè)計(jì)一個(gè)控制模塊節(jié)點(diǎn)，節(jié)省了節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

圖4　終端節(jié)點(diǎn)及控制部分框圖

2.2.2軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電以后，首先對硬件和協(xié)議棧進(jìn)行初始化，然后把該節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，建立網(wǎng)絡(luò)，待網(wǎng)絡(luò)建立成功以后，掃描終端節(jié)點(diǎn)的請求接入網(wǎng)絡(luò)的信息，掃描到以后，開始配置網(wǎng)路地址空間，在網(wǎng)絡(luò)地址未滿的情況下，給各終端節(jié)點(diǎn)分配相應(yīng)的短地址，此時(shí)終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)成功。

仍以溫度采集為例，終端節(jié)點(diǎn)上的溫度傳感器DS18B20接到數(shù)據(jù)采集命令開始記錄溫度數(shù)據(jù)，然后將實(shí)時(shí)采集到的溫度數(shù)據(jù)以串行數(shù)據(jù)形式傳輸?shù)紺C2530處理器，接著通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)往協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)傳送，再依次傳送到上位機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析和顯示。上位機(jī)通過一些提前設(shè)定好的參數(shù)去控制帶有控制機(jī)構(gòu)的終端節(jié)點(diǎn)，以開啟或關(guān)閉設(shè)備實(shí)現(xiàn)對溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。整個(gè)過程的軟件設(shè)計(jì)流程圖如下：

圖5　溫度監(jiān)測和調(diào)控軟件設(shè)計(jì)流程

3　測試結(jié)果分析

經(jīng)實(shí)際測試，終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)及PC的通信鏈路通信正常，終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)有效通信距離為61m，最近有效通信距離為47m，數(shù)據(jù)的傳輸響應(yīng)比較迅速，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

對設(shè)備的控制在50m有效范圍內(nèi)，也能通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)得以實(shí)現(xiàn)，手動(dòng)、自動(dòng)控制模式均得到驗(yàn)證。測試結(jié)果符合預(yù)期設(shè)定的要求。

4　結(jié)論

測試結(jié)果表明本設(shè)計(jì)方案可行，系統(tǒng)具有較高的可靠性和很好的實(shí)用價(jià)值。由于時(shí)間倉促和試驗(yàn)條件有限，整個(gè)系統(tǒng)只是模擬進(jìn)行了各項(xiàng)功能的測試，還未應(yīng)用于實(shí)際的溫室當(dāng)中。

下一步，要在實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)上查找不足，對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，主要是在硬件的傳輸距離及可靠性和互聯(lián)網(wǎng)接入等方面的考慮，以及手持終端APP的開發(fā)。

參考文獻(xiàn)

［1］欒學(xué)德.基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的智能溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.青島：中國海洋大學(xué)，2012.

［2］王小強(qiáng)，歐陽駿，黃寧淋.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

［3］CC2530 Data Sheet..http：//www.ti.com.

中圖分類號(hào)TP3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1674-6708（2016）165-0146-02

作者簡介：許宇衛(wèi)，碩士在讀，北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，研究方向?yàn)榧呻娐废到y(tǒng)設(shè)計(jì)。戴瀾，北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院。